TEC科普小课堂丨揭秘半导体致冷器如何实现“制冷”和“制热”！
一、半导体致冷器工作原理-帕尔帖效应
半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它的工作原理基于热电效应中的帕尔帖效应。帕尔贴效应诞生于1834年。一位名叫帕尔帖的法国物理学家发现：当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，而放热或吸热的大小由电流的大小来决定。这就是半导体致冷和致热现象，也被称为帕尔贴效应。它的热量计算公式为：Q=π*I。
二、帕尔帖效应在半导体致冷器中的应用
下面我们一起来看看帕尔帖效应在半导体致冷器中的实际应用。如图所示，将一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处会产生温差和热量的转移。其中，P元件里的载流子是空穴，N元件里的载流子是自由电子。在上方接头处，电流方向P→N，温度上升并放热，这是热端；在下方接头处，电流方向N→P，温度下降并吸热，这是冷端。
▲ 帕尔帖效应应用模型
将若干对半导体热电偶在电路上串联起来，就构成了一个常见的热电制冷堆。接上直流电源后，热电堆上面是热端，下面是冷端，借助热交换器等传热手段，使热电堆的热端不断散热并保持一定温度，将冷端放入工作环境中吸热降温，这就实现了帕尔帖效应在半导体致冷器中的应用。
三、TEC制冷和制热模式的温差区别
看完以上内容，我们发现了半导体致冷器的神奇之处：它能实现制冷和制热两种效果。图示为半导体致冷器和外围器件的连接模型。Tc表示被制冷物体（Object Being Cooled）一侧的冷面温度，也就是目标温度；Th表示散热器（Heat Sink）一侧的热面温度，Ta表示器件工作时的环境温度。 ① 当Tc＜Ta时TEC呈现制冷模式，此时Tc＜Th ② 当Tc＞Ta时TEC呈现制热模式，此时Tc＞Th
▲ 半导体致冷器和外围器件连接模型（图示为制冷简图，制热时图标反向）
四、TEC制冷和制热模式的基本结构
半导体致冷器在制冷和制热两种模式下的基本结构也呈现相反状态。图示为半导体致冷器的制冷模式结构。N 型DICE连接直流电源正极（一般为红色导线），P 型DICE连接电源负极（一般为黑色导线），电流在各个半导体元件中开始流动。上部的各个接合电极开始吸热，通过DICE传导到下部的各个接合电极。这一部分移动的热量和输入电力转化而成的热量，会一起通过下部的接合电极释放出来。
▲ 半导体致冷器制冷模式结构
假设将直流电源连接在TEC上的正负极相互交换，TEC上下面吸放热关系也会随之变换（也可选择正负极不变，内部PN倒装），这就形成了半导体致冷器的制热模式结构。
▲ 热电致冷器制热模式结构
下期预告
本期TEC科普小课堂我们一起学习了半导体致冷器的工作原理和基本结构，下期将继续为大家介绍它的重点参数与性能体现，敬请期待！
